Designstudie: Mehr als Taktvoll

Ein modularer Synthesizer kommt nicht ohne Clocksignale aus, um Sequenzer, Drum-Module und andere Rhythmuseinheiten zu steuern und es ist schon Einiges an Modulen auf dem Markt angetreten, um die Rhythmus-Sektion lebendiger zu gestalten bis hin zu Generatoren, die Rhythmen mithilfe euklidischen Formeln erzeugen. Hier ein kleiner Generator, der nach dem Zufallsprinzip halbe Noten zu einem Taktsignal hinzufügt.

Die PLL-Schaltung als solche ist ein uralter Hut: Eine Kombination aus einem CD4046 (PLL VCO) und einem CD4017 (Hier als Teiler durch 2 verdrahtet) bilden einen Regelkreis und erzeugen aus dem Eingangstakt einen Takt doppelter Frequenz. Bei korrekter Dimensionierung der Bauteile funktioniert das (nach einer kurzen Einschwingphase) erstaunlich stabil bei Frequenzen von um die 1Hz bis in den Megahertzbereich. Die doppelte Frequenz wird in einen Arduino geführt, der interruptgesteuert bis 2 zählt. Ist der Counter ungerade UND spuckt der interne Zufallsgenearator zur gleichen Zeit eine 1 aus, schickt er einen Impuls auf die Reise, der genau zwischen zwei regulären Takten sitzt – quasi eine halbe Note. Der Code findet sich hier.

Anbei mein kleiner Testaufbau, der definitiv eine eigene Frontplatte lohnt. Es ist natürlich sowohl ein separater Ausgang für den zusätzlichen Takt denkbar (im Testaufbau auf dem Foto separat – im Soundbeispiel steuere ich damit die beiden Triggereingänge eines Erica Synth Pico Drums an.) als auch ein kombinierter Ausgang. Hierzu wären dann die beiden Signale am Eingang des NAND-Gatters zusätzlich über ein ODER-Gatter zusammenzuführen.

Und so klingt das Ganze am Ende:

Wer sich genauer für die Schaltung interessiert:

  • Es sind auch andere Teilerverhältnisse möglich. So hatte ich auch mit dem Teilerverhältnis 1:3 experimentiert. Dazu muss nur der Pin 4 vom CD4017 durch den Pin 7 ersetzt werden und im Code die Variable counter am Ende der Interruptschleife nicht bei 2, sondern erst bei 3 auf Null gesetzt werden.
  • Der hier eingesetzte Arduino ist vom Typ “Leonardo”. Das darf auch durchaus ein anderes Modell sein. Es ist lediglich sicherzustellen, dass ein interrupt-fähiger Eingang verwendet wird. Ein alter “Duemillenova” wird es sicher auch tun. Das von mir verwendete Exemplar kam auch bei 240 BPM nicht ins Stolpern.
  • Die beiden 4,7KΩ-Widerstände am Eingang sorgen dafür, dass der Eingangstakt nicht Ground bzw. Vcc-Level erreicht. Das Signal schwimmt somit symmetrisch zwischen null Volt und Versorgungsspannung. Andernfalls “rastet” die PLL evntl. nicht sauber ein. (siehe -> Spezielles Problem mit dem CD4046)
  • Die Schaltung hat leider einen kleinen Schönheitsfehler, der sich allerdings im Betrieb nicht auswirkt, da ich ihn mit einen schmutzigen Trick behoben habe: Da die Phase des erzeugten Taktes nicht immer gleich zu sein scheint (oder die Interrupt-Flanke im Arduino trotz eindeutiger Festlegung nicht die gleiche war?), lag der zusätzliche Impuls nach dem Einschalten nicht immer zwischen, sondern dann und wann genau auf einem Takt. Deswegen habe ich eine Prise NAND-Gatter (¼ CD4011) hinzugefügt, das bei Eintreffen beider Signale zur gleichen Zeit dem Arduino einen Reset verpasst. Das passiert so lange, bis beide Signale zeitverzögert eintreffen. Dann wird die Zusatzschaltung wirkungslos und der Generator läuft stabil. Es dauert lediglich ein paar Sekunden, dann ist alles einsatzbereit.
  • Mit dem 470Ω-Widerstand am Schleifer des Potis kann die Kennlinie angepasst werden. Der eine mag einen eher linearen Verlauf, der andere mag es logarithmischer.
  • Diese Schaltung funktioniert mit Eingangspegeln, die 5 Volt nicht überschreiten sollten. Weiterhin schneidet sie negative Pegel nicht ab. Bei Verwendung mit anderen Amplituden sind entsprechende Schaltungsänderungen und Schutzmaßnahmen erforderlich.
  • Entsprechend “aufgebohrt” ließen sich mit dieser Schaltung auch 4 oder 8 Impulse aus dem Eingangstakt generieren. Zwischen Taktgenerator und ADSR geschaltet könnte damit auf einfachste Weise eine Melodie-Sequenz mit zufälligem Ratcheting-Effekt erzeugt werden.

NACHTRAG 24.07.2019: Ich habe die Schaltung heute nachgebaut und sie nicht zum Laufen bekommen – bis ich Pin 11 des CD4046 über einen 1KΩ-Widerstand mit Masse verbunden habe. Spooky …

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